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[SATA-IP アプリケーション・ノート 1]
SSD パフォーマンス・レポート
Rev 1.2 2009 年 3 月 23 日 本ドキュメントはSATA-IP を最新の高速 SSD ドライブと接続し転送パフォーマンスを実測した結果レポートです。1. 概要
近年のストレージ・デバイスの大容量化と低価格化に伴い、FPGA を使った組み込みシステムに SATA デバイスを 応用するアプリケーションが一般的になりつつあります。 このようなアプリケーションにおいては、SATA-IP を活用す ることで、図1-1 のような高速大容量の RAID システムや、低価格かつ高機能な動画システムを短期間で開発し、製 品をいちはやく市場に投入することが可能となります。 複数のSATAチャネルを 実装したVirtex5 外部I/FSATA-IPによるRAIDシステム
Link層 GTP PHY層 300MB/s Link層 GTP PHY層 300MB/s Link層 GTP PHY層 300MB/s 1200MB/s Link層 GTP PHY層 300MB/s Virtex5 + SATA-IP SATA I/F 動画格納 SATAデバイス ビデオカメラ ディスプレイ動画
収録
動画再生
SATA-IPによる動画システム
MUX / De M U X [図 1-1] SATA-IP の応用システム例 従来、SATA デバイス組み込みシステムでは主に HDD が用いられてきました。 ところが Flash デバイスの急激 な低価格化と大容量化によって、HDD にかわって SSD が使われるケースが飛躍的に増えています。 SSD は HDD と比較して耐振性に優れ、またバーストデータの転送速度面でも有利です。 容量に対してのコスト面でも HDD と同 等レベルに近づいており、SSD のメリットがより一層注目されています。 このような背景から、SATA-IP アプリケーションとして市場ニーズが高い SSD をターゲットとした SATA-IP の転送 パフォーマンスを、ML505 ボードと最新 SSD を使って実測しました。2. 評価条件
2.1 評価環境
今回の評価環境を図 2-1 に示します。 ML505 ボード上の Virtex5LXT に評価用の回路データをコンフィグレー ションし、SATA 接続した SSD ドライブに対するリードライトの転送速度を評価します。 その転送所要時間は FPGA 内部タイマで計測されるので、その結果をシリアル・ターミナルで表示します。 評価用に無償公開しているビットファイル（無償公開版）でもリード・ライト実行後に転送速度を表示できますが、一 度のリードライト・アクセスは 32MByte(65,536 セクタ)以下に制限されます。 しかし例えば動画システムなどでは、 それ以上の大量データを連続転送するケースが一般的です。 そこで今回、評価用ビットファイルに加えて大量デー タを連続転送する回路（連続転送版）を追加して評価を実施しました。Virtex5LXTに
Configuration
ML505
(J40) (P3)シリアル・ターミナ
ルに結果を表示
SATA-II SSD
SATAケーブル
無償公開版
連続転送版
[図 2-1] 転送パフォーマンスの測定環境2009/03/23 Page 3
2.2 評価対象 SSD
今回の評価は下表2-1 に示す(2009 年 2 月の時点で)最新の２点の SSD を使って実施しました。 X25-E Extreme G-Monster V2 外形 メーカ Intel PhotoFast 型番 SSDSA2SH032G1 PF25S128GSSDV2 容量 32GB 128GB 市場価格 (※) ￥43,000 ￥39,800 Write 公表値 170MB/s 160MB/s Read 公表値 250MB/s 230MB/s [表 2-1] 評価した SSD の仕様 (※) 市場価格は、2009 年 2 月上旬時点での[価格.com]における最低価格情報 また、現在SSD 市場でも競争が激しくコスト・パフォーマンスが良い MLC タイプの SSD を対象として、下表 2-2 に 示した２種類の低価格SSD を追加で評価しました。 これら 32GByte の低価格 SSD では調査したところ 48BitLBA モードのREAD/WRITE DMA EXT コマンド(25H/35H)がサポートされていないため、従来の 28bitLBA モードの READ/WRITE DMA コマンド(C8H/CAH)でリードライト・アクセスを行う必要があります。
Transcend MLC Buffalo MLC 外形 メーカ Transcend Buffalo 型番 TS32GSSD25S-M SHD-NSUM30G 容量(※1) 32GB 30GB 市場価格 (※2) ￥7,980 ￥7,800 Write 公表値 60MB/s Read 公表値 123MB/s [表 2-2] 追加で評価した低価格 SSD の仕様 (※1) 容量の公表値は Transcend/Buffalo で異なるが実容量(最大 LBA)は両社とも同じで 62,586,880 であった。 (※2) 市場価格は、2009 年 3 月下旬時点での[価格.com]における最低価格情報 追加評価は表2-2 に示す２台の SSD を対象とし、28bitLBA サポートを追加した連続転送版で実施しました。 そ の結果を7 章の[低価格 SSD の追加評価]で報告します。
3. 評価回路の実装
3.1 SATA のコマンド・フォーマット
SATA アプリケーションにおいて、大容量データのリード・ライトは ATA-7 規格で定義された READ DMA EXT / WRITE DMA EXT コマンドが使われます。 READ DMA EXT コマンドのフォーマットを下図 3-1 に示しますが WRITE DMA EXT コマンドのフォーマットもほぼ同様です。
このコマンドにおいて実行処理するデータ数はSector Count レジスタで設定しますが、このレジスタは全部で 16bit 幅でありその値をオール・ゼロ(0000h)とした場合に最大の 65,536 セクタ= 32MByte (1 セクタ=512 バイト)が指定さ れます。 従って 32MByte 以上のデータを連続転送する場合、32MByte ごとに本コマンドを繰り返して連続発行す る必要があります。 そしてコマンド発行するたびにLBA(アクセス先番地)も更新する必要があります。
ATA-7規格によるREAD DMA EXTコマンドのフォーマット (WRITE DMA EXTコマンドも同様)
セクタカウントは16bit で設定され0000hの場 合最大の65,536セクタ (=32Mバイト)転送が設 定される 32Mバイト以上の転送は READ/WRITE EXT DMAコマ ンドを32Mバイトごとに繰り返 して発行する必要がある [図 3-1] SATA コマンドのフォーマット
一方、28bitLBA のみ対応するドライブの場合、従来の READ DMA または WRITE DMA コマンドを使う必要が あります。 この場合１コマンドにおいて最大256 セクタ = 128KByte までの連続データ転送が可能となります。
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3.2 無償公開版
無償公開版の回路においては、一度のリードライト・アクセス指示に対して図3-1 の READ/WRITE DMA EXT コ マンドを１コマンドのみ発行します。 下図3-2 にこの回路の実行フローチャートを示します。 コマンドを実行する前に、 アクセス先のLBA や SectorCount 等 FIS パラメータを MicroBlaze のファームウエアによって設定します。 また、 MicroBlaze タイマを起動した直後に DMA を起動し DMA 転送の完了直後にタイマが停止するため、タイマによっ て計測された転送パフォーマンスにはMicroBlaze によるコマンド発行のためのオーバーヘッドが含まれません。
つまりこの回路による計測結果は、「SSD ドライブによるフロー制御を含めた、SATA-IP ハードウエア・ロジックによ る転送パフォーマンス」となります。 （ただし DMA 起動処理や DMA 完了待ちのポーリングは MicroBlaze によっ て行われるため、正確には若干のファームウエア処理オーバーヘッドが含まれます。） 例えばライトなどで SSD のデータバッファが溜まってきた場合、オーバーフローを防ぐため SSD から SATA-IP に 対して HOLDp プリミティブによる転送の一時停止を要求してきますので、計測結果はそのようなフロー制御が含ま れたパフォーマンスとなります。 今回はセクタ数を最大の65,536 セクタ(32MByte)に固定して評価を行っています。 開始 DMA用のFIS構造体 パラメータを設定 MicroBlazeタイマを開始 DMAを起動 DMA完了? セクタ数入力 MicroBlazeタイマを停止 タイマ結果を表示 終了 NO YES タ イ マ に よ る 計 測 期 間 [図 3-2] 無償公開版の実行フローチャート
3.3 連続転送版
連続転送版の回路においては、図3-1 の READ/WRITE DMA EXT コマンドを SectorCount=0000h の最大転 送(32MByte)とした状態でユーザが指定したループ回数分繰り返すことで大量のデータ処理を連続実行します。 下 図3-3 に連続転送版の実行フローチャートを示します。 この回路においては、転送パフォーマンス測定用のタイマ計測中に、コマンドの連続発行で必要となる MicroBlaze によるパラメータの更新処理オーバーヘッドが含まれます。 従って、本回路は大量データの連続リード/ライトの実処 理をエミュレートしたものとなり、実効転送パフォーマンスそのものの計測が可能となります。 １ループにつき 32MByte 分の処理となるため、例えば 512 ループを指定した場合は 16GByte の連続処理が行 われることになります。 開始 DMA用のFIS構造体 パラメータを設定 MicroBlazeタイマを開始 LBAをセット DMAを起動 DMA完了? 転送先ポインタをリセット ループ完了? ループ数入力 LBAを更新 MicroBlazeタイマを停止 タイマ結果を表示 終了 NO YES YES NO 赤色部はループ 内のMicroBlaze処 理によるオーバー ヘッドとなる タ イ マ に よ る 計 測 期 間 [図 3-3] 連続転送版の実行フローチャート
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4. 無償評価版の結果
無償評価版によるX25E Extreme と G-Monster V2 の評価結果をそれぞれ下図 4-1 と図 4-2 に示します。 X25E Extreme にてリード時の 286MB/s は SATA-II 規格上最大の 300MB/s に近い結果となっていることから、リード転 送中のフロー制御はほとんど発生しなかったものと考えられますがライトでは 220MB/s なので、SSD 側から若干の フロー制御が発生しています。 G-Monster V2 の結果は X25-E Extreme に比べると若干低くなっています(リー ド時223MB/s ライト時 155MB/s)が、製品メーカの公表値(リード時 230MB/s ライト時 160MB/s)はほぼ達成できて います。
5. 連続転送版の結果
連続転送版ではリードとライトそれぞれにおいて、ループ数を1,2,4,8,16,32,64,128,256,512 の 10 通りとして評価 を行いました。 X25E Extreme と G-Monster V2 の評価結果をそれぞれ下表 5-1 と表 5-2 に示します。
この結果から、両社とも転送データ量が増えるとパフォーマンスはほんの僅か低下する傾向が見られますが、ほぼ 安定した結果が得られています。 即ち、これらの SSD では例えば 16GB 程度の大量データの連続リードや連続ラ イトにおいても、少量の場合と同等の高い転送速度を維持し続けることができるものと考えられます。
Loop 数 転送バイト数 Write 結果 Read 結果
1 32MB 217.04 [MB/s] 286.60 [MB/s] 2 64MB 218.11 [MB/s] 286.35 [MB/s] 4 128MB 216.52 [MB/s] 286.36 [MB/s] 8 256MB 214.40 [MB/s] 286.23 [MB/s] 16 512MB 212.45 [MB/s] 286.40 [MB/s] 32 1GB 215.18 [MB/s] 285.99 [MB/s] 64 2GB 210.15 [MB/s] 285.89 [MB/s] 128 4GB 210.22 [MB/s] 286.32 [MB/s] 256 8GB 209.40 [MB/s] 283.93 [MB/s] 512 16GB 209.73 [MB/s] 285.25 [MB/s] 平均 213.32 [MB/s] 285.93 [MB/s] [表 5-1] 連続転送版の X25E Extreme 評価結果
Loop 数 転送バイト数 Write 結果 Read 結果
1 32MB 157.39 [MB/s] 223.25 [MB/s] 2 64MB 157.18 [MB/s] 223.24 [MB/s] 4 128MB 157.16 [MB/s] 223.23 [MB/s] 8 256MB 157.76 [MB/s] 223.22 [MB/s] 16 512MB 155.15 [MB/s] 223.22 [MB/s] 32 1GB 155.99 [MB/s] 223.21 [MB/s] 64 2GB 155.45 [MB/s] 223.20 [MB/s] 128 4GB 153.32 [MB/s] 217.64 [MB/s] 256 8GB 154.07 [MB/s] 220.93 [MB/s] 512 16GB 154.31 [MB/s] 222.02 [MB/s] 平均 155.78 [MB/s] 222.32 [MB/s] [表 5-2] 連続転送版の G-Monster V2 評価結果
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6. コマンド・オーバーヘッドの調査
6.1 ハード置換え版の評価
更に大量データの連続転送においてコマンド発行のたびに必要となるFIS パラメータ更新などのオーバーヘッドを、 ソフトウエアのかわりにハードウエアで実装した場合のパフォーマンスについても評価回路(ハード置換え版)を試作し て調査しました。 具体的には図 3-3 のフローチャートにて、ループ中に MicroBlaze によって行われる図中赤色のファームウエア処 理を、ステートマシンによるハードウエアに置き換えて自動実行するテストロジックを実装しました。 この評価は転送 バイト数を16GB（連続転送版の 512 回のループと同じ）に固定して G-Monster V2 を対象として実施しています。 そ の結果を下表6-1 に示します。 (比較検討のためファームウエア処理による連続転送版の 16GB 結果を再掲してい ます。)bit ファイル Loop 処理 転送バイト数 Write 結果 Read 結果
連続転送版 ファームウエア 16GB 154.31 [MB/s] 222.02 [MB/s] ハード置換え版 ステートマシン 16GB 159.93 [MB/s] 223.22 [MB/s] [表 6-1] G-Monster V2 による 16GB の大量データ転送結果 この結果から、FIS パラメータ設定等によるコマンド・オーバーヘッドは、MicroBlaze によるファームウエアとステー トマシンによるハードウエアであまり大きな差異はないことがわかります。 これはすなわち、READ/WRITE DMA EXT コマンドでは１コマンドで 32MByte ものデータを一度に転送できるため、データ転送時間に対してのコマンド・オ ーバーヘッド処理時間の割合が非常に小さいためだと考えられます。
6.2 コマンド処理時間の実測
最後に連続転送版とハード置換え版それぞれで、READ/WRITE DMA EXT コマンドの処理オーバーヘッド実時 間を実測したのでその結果を下表6-2 に示します。
bit ファイル WRITE READ
連続転送版 1600us 3.0us ハード置換え版 450us 1.0us [表 6-2] オーバーヘッド処理時間の計測結果 データ・ライトにおいて転送速度を 150MB/s とすると 32MByte のデータ転送時間は 213ms となります。 これに 対してコマンド処理オーバーヘッドは、データ転送時間と比較してハード置換え版で 0.21%、連続転送版でも 0.75% にしかなりません。 いずれにしてもコマンド全実行時間でほとんど(99%以上)を占めるデータ転送時間に対して無視 できるレベルです。 データ・リードの場合その傾向はもっと顕著です。 リード転送速度を220MB/s とすると 32MByte のデータ転送時 間は 145ms となりますので、ハード置換え版の 1.0us はデータ転送時間の 0.0007%、連続転送版の 3.0us でも 0.002%にしかなりません。
結論としては、１コマンドで32MByte データを処理できる READ/WRITE DMA EXT コマンドを使う場合、コマンド・ オーバーヘッドは MicroBlaze によるファームウエア処理であっても十分無視できるレベルであって、ステートマシン 処理に変更した場合でもパフォーマンスの改善にはほとんど効果がないと考えられます。
SATA-IP では顧客提供のホスト向けリファレンス・デザインにて MicroBlaze ベースのホスト・コントローラのテンプ レート（雛形）がすでに用意されているため、リファレンス・デザインをもとにして製品システムを構築するのが開発期 間上最もメリットがあります。 また、MicroBlaze のファームウエアの場合、ハードウエア実装に比べてアップデート に時間のかかるISE での回路再コンパイルが不要となるので、柔軟性や不具合発生時の即応性でも有利です。 従って、顧客の製品システムでMicroBlaze が実装可能な場合は、パフォーマンス・ペナルティは十分小さいためコ マンド処理をMicroBlaze ファームウエアで行うのが最適であると考えられます。
7. 低価格 SSD の追加評価
更に、SSD 市場での激しいメーカ間競争でコスト・パフォーマンスが高い MLC タイプの低価格 SSD を 2009 年 3 月に追加して評価しました。 今回評価した 32GByte タイプでは 48bitLBA モードがサポートされていないため、従 来の28bitLBA モードでのみアクセスが可能です。 そこで連続転送版を改良し28bitLBA コマンドに対応することで評価を実施しました。 この追加評価においては、 1 コマンド当りの最大セクタ数が 256 セクタに制限されるため、コマンド処理オーバーヘッドは 48bitLBA 版に比べて 256 倍に増えることになります。 評価は転送バイト数=32GByte となる、全面ライト/全面リード・アクセスで実施しました。 その結果を下表 7-1 に 示します。 SSD 種類 転送バイト数 処理セクタ数 Write 結果 Read 結果 Transcend MLC 32GB 62,586,880 91 [MB/s] 147 [MB/s] Buffalo MLC 32GB 62,586,880 89 [MB/s] 147 [MB/s] [表 7-1] 追加評価した低価格 SSD の評価結果 この結果から、どちらもほぼ同程度のパフォーマンス（ライト時 90MB/s 程度、リード時 147MB/s）が、全面リードラ イトのような大容量データ転送にて確認できました。 最初に調査した表 2-1 のような上位機種と比較するとパフォー マンスは確かに低下します。 しかしコスト面を重視したシステムであって表 7-1 のパフォーマンスで満足できるので あれば、安価なMLC タイプの SSD においても十分な実力を発揮できます。8. 結論
最新のSSD を SATA-IP と組み合わせてストレージ応用製品を実装することで、大量データの高速リードライトを実 現するシステムが構築できます。さらに、処理オーバーヘッドの影響が事実上無視できる READ/WRITE DMA EXT コマンドを使うことで MicroBlaze ファームウエアでのシステム開発が可能となるため、SATA-IP リファレンス・デザインのテンプレートを 活用することで短期間での製品開発に貢献します。 コスト重視のシステムにおいては、安価なMLC タイプの SSD を活用することで、十分なパフォーマンスを維持した ままでの低コスト製品がSATA-IP によって実現可能となります。
